增强型电磁轨道发射器电磁场和电感梯度仿真分析.doc

增强型电磁轨道发射器电磁场和电感梯度仿真分析 78兵工自动化Ordnance IndustryAutomation2018-0837 (8)doi:10.7690/bgzdh.2018.08.017增强型电磁轨道发射器电磁场和电感梯度仿真分析贺景瑞1，李小将2(1.航天工程大学研究生管理大队，北京101416；2.航天工程大学航天装备系，北京101416)摘要为研究增强型电磁轨道发射器的电磁场和电感梯度特性，建立增强型电磁轨道发射器2维仿真计算模型进行仿真分析。 采用有限元方法，在500Hz、1MA正弦电流激励条件下，分析比较层叠增强型和平面增强型电磁轨道发射器的电磁场和电感梯度。 结果表明与普通轨道发射器相比，增强型电磁轨道发射器电磁场和电感梯度有较大提升；增强型电磁轨道发射器轨道高度越低，磁场强度和电感梯度越大；增加辅助轨道层数能够提高增强型电磁轨道发射器的磁场强度和电感梯度。 关键词增强型轨道发射器；电磁场；电感梯度；有限元分析TJ303文献标志码A SimulationAnalysis ofElectromagic Fieldand InductanceGradient ofAugmented Electromagic Launcher HeJingrui1,Li Xiaojiang2(1.Administrant Brigadeof Postgraduate,Aerospace EngineeringUniversity,Beijing101416,China;2.Department ofSpace Equipment,Aerospace EngineeringUniversity,Beijing101416,China)Abstract:In orderto studythe electromagic field and inductance gradientcharacteristics of the augmented electromagic launcher,a two-dimensional simulationcalculation modelof the augmented electromagic launcher wasestablished.The finite element methodwas usedto analyzeand parethe laminationand plane turn-augmented launcherunder the500Hz and1MA sinecurrent excitationcondition.The resultsshow thatpared withthe conventionalelectromagic launcher,the electromagic field andthe inductance gradient canbe greatlyimproved byusing theaugmented electromagic launcher.The lowerthe orbitalheight oftheaugmentedelectromagiclauncher,the biggerthe magicfield strength andinductance gradient.More raillayers canimprove themagicfieldstrengthandinductancegradientoftheelectromagiclauncher.Keywords:augmentedelectromagiclauncher;electromagicfield;inductancegradient;finiteelementanalysis0引言电磁轨道发射过程中，高强度的机械、电气和热作用容易引起电枢和轨道的损伤，严重影响发射的精度和速度，并缩短电磁轨道发射器的寿命1。 研究人员为了抑制损伤并提高发射器出口动能，开始研制增强型电磁轨道发射器。 增强型电磁轨道发射器利用多对轨道按照一定方式组合来增强电感梯度，使电枢在通过相同电流条件下，产生比单个轨道发射器更大的电磁推力2。 增强型电磁轨道发射器主要分为2类1)平面增强型3，它通过在主轨道外侧排列辅助增强轨道来提升性能；2)层叠增强型，它通过在竖直方向堆叠多对轨道达到增强性能的目的。 由于增强型电磁轨道发射器的优越性能，研究人员开展了多方面的研究工作，特别是在电感梯度、电磁场和仿真分析方面。 文献4对平面增强型轨道炮发射过程进行数值仿真分析，结果表明，辅助轨道可以影响枢轨接触面电流密度并且提升电枢极限速度；文献5研究了增强型轨道炮的效率并且计算了能量损失分布，指出钢制外壳增加了轨道炮的电阻损失；文献6利用ANSOFT软件对不同几何参数的增强型轨道炮的电磁场和电感梯度进行了仿真，并给出电感梯度随导轨间距和厚度的变化曲线；文献7制作了M1和M22种层叠增强型电磁轨道发射器并且分析了其优势和劣势，指出了采用多层轨道能够增加电感梯度但其发射效率降低；文献8采用ANSYS仿真软件建立了三匝轨道炮的2维仿真模型，对比分析了单匝、双匝和三匝轨道炮的电流分布和电磁场分布，结果表明，三匝轨道炮具有更大的电感梯度和更均匀的电流分布；文献9仿真分析了普通轨道炮、平面增强型轨道炮和炮口馈电轨道炮的电感梯度、电流分布和磁场分布，结果表明，12018-04-25；修回日期2018-05-15作者简介贺景瑞(1992)，男，陕西人，学士，从事电磁轨道发射技术研究。 79贺景瑞等增强型电磁轨道发射器电磁场和电感梯度仿真分析第8期平面增强型轨道炮的电感梯度和发射效率更高；文献10通过仿真计算比较了层叠型和平面型轨道炮，结果表明，在电枢总质量和摩擦相同的条件下，层叠型轨道炮的电感梯度和效率高于平面型轨道炮。 目前对比分析层叠型和平面型2种电磁轨道发射器电磁场和电感梯度的研究较少，缺乏对多层电磁轨道发射器电磁场的仿真分析。 笔者采用有限元仿真软件SOL Multiphysics，仿真对比分析层叠增强型和平面增强型电磁轨道发射器的电磁场和电感梯度，并对多层增强型电磁轨道发射器的电磁场和电感梯度进行了数值模拟和分析。 1仿真建模1.1电磁场计算原理计算模型基于磁矢势形式的麦克斯韦方程组，轨道和电枢内的磁扩散通过矢量磁势和标量电势计算，方程5表示如下21AA uAt?； (1)2()Aj uAt?； (2)0j?。 (3)式中A为矢量磁势；?为磁导率；?为电导率；u为电枢运动速度；?为标量磁势；j为电流密度。 在包围轨道和电枢的非导体场域中，电流密度j=0，将式 (3)替换为20A?。 (4)1.2轨道电感梯度计算原理作用在简单轨道发射器电枢上的电磁推力可由下式11表示212FL I?。 (5)式中L?为轨道的电感梯度；I为回路电流。 在2维仿真模型中，场域中的磁场能量为2m1d2W s?B。 (6)电枢所受电磁推力又可表示为m112iiiF WS?B。 (7)最终电感梯度L?表示为2212=iiiSFLI I?B。 (8)增强型电磁轨道发射器的电感梯度可分为主轨道的自感梯度和主副轨道间的互感梯度2部分12。 对于增强型轨道发射器，其1n匝轨道的电流为1i到ni，主轨道的电感梯度为1L?，主副轨道之间的互感梯度为12M?,13M?,1nM?，电枢受到的电磁推力可表示为23211213111221()2i iFL MM iii?。 (9)对于层叠型轨道发射器，内部每一匝轨道都可以发射电枢，每一匝轨道均可视为主轨道。 若共有n匝轨道，第a匝轨道所受电磁推力为2121()2nja a aj ajajaiF LM ii?。 (10)层叠型轨道发射器产生的总电磁推力为每一匝轨道所产生推力之和21121()2n njzaajaa jajaiF LM ii?。 (11)总电感梯度为112=()n njaaja jajaiL LMi?。 (12)1.3增强型电磁轨道发射器仿真模型建立2维平面增强型电磁轨道发射器和层叠增强型电磁轨道发射器的仿真模型，如图1所示。 (a)层叠增强型(b)平面增强型图12维仿真模型80兵工自动化第37卷在该模型中，轨道材料选择铜，相对电导率为5.998?107s/m，内外轨道尺寸相同，轨道宽度w为10mm，轨道高度h为40mm，轨道间距为20mm。 平面增强型电磁轨道发射器内外轨间距为5mm，层叠增强型电磁轨道发射器的层间距为5mm。 电流为1MA，电流由图1中左边轨道馈入，时谐分析频率500Hz。 轨道外部是空气域，最外层采用无限元域模拟无限空间的磁场。 2仿真计算结果及分析发射器轨道中载入的脉冲电流具有峰值高、时间短的特点，电枢与轨道间处于高压、高速滑动状态，发射过程是一个复杂的电磁瞬态过程。 笔者采用有限元方法，用电磁场的2维时间谐波分析来模拟增强型轨道发射器的电磁场并且求解电感梯度。 2.1普通轨道发射器和增强型轨道发射器对比图2为普通轨道发射器、平面型轨道发射器和层叠型轨道发射器的电流密度分布图。 电磁场分布如图3所示。 表1为电感梯度和发射器磁场强度的计算结果。 (a)普通型(b)平面增强型(c)层叠增强型图2电流密度分布图2中轨道内电流的分布状况主要受趋肤效应和邻近效应影响。 图2(a)中普通轨道发射器电流主要分布在轨道表面，左右轨道内的电流在邻近效应作用下相互吸引，最大电流密度出现在轨道内侧的4个角，数值为1.21?1010A/m2，最小电流密度出现在轨道中部靠外区域，数值为7.18?108A/m2。 平面增强型轨道的最大电流密度同样出现在轨道内侧的4个角，为1.87?1010A/m2，同侧内外轨道的电流相互排斥，最小电流密度为9.44?108A/m2。 层叠增强型轨道的上层轨道和下层轨道的电流相互排斥，最大电流密度位于上层轨道内侧上方的2个尖角和下层轨道内侧下方的2个尖角，最大电流密度为1.41?1010A/m2，最小电流密度在轨道内部靠外侧，为5.19?108A/m2。 (a)普通型(b)平面增强型(c)层叠增强型图3电磁场分布81贺景瑞等增强型电磁轨道发射器电磁场和电感梯度仿真分析第8期表1电感梯度和磁场强度数值简单轨道发射器平面增强型轨道发射器层叠增强型轨道发射器L?/(?m)0.3920.6710.946B/T17.2029.4620.75轨道内的电流分布影响了发射器内的磁场分布，通过电流多的地方会在附近空气域激发出更强的磁场。 如图3所示，空气域中磁场最强的地方均分布在电流密度最高的区域附近。 根据表1，平面增强型轨道发射器的磁场强度最高，磁场强度B为29.46T，是简单轨道发射器的1.71倍，层叠增强型轨道发射器的1.42倍。 层叠增强型轨道炮的电感梯度为0.946?H/m，相比普通轨道发射器和平面增强型轨道发射器分别提升了2.41和1.41倍。 2.2轨道高度影响分析图4展示了改变轨道高度对平面型和层叠型电磁轨道发射器磁场的影响。 图5为改变轨道高度对平面型和层叠型电磁轨道发射器电感梯度的影响。 图4轨道高度对磁场强度影响图5轨道高度对电感梯度影响从图4可以看出，平面型和层叠型电磁轨道发射器的磁场强度均随着轨道高度的增加而减小。 当轨道高度h=5mm时，层叠型轨道发射器的磁场强度达到53.19T，高于平面增强型电磁轨道发射器的磁场强度。 随着轨道高度的增加，层叠型轨道发射器磁场强度的下降速率快于平面型轨道发射器。 当轨道高度h10mm时，平面型轨道发射器的磁场强度高于层叠型轨道发射器。 在轨道高度h=40mm时，平面增强型的磁场强度是层叠增强型的1.42倍。 层叠增强型电磁轨道发射器的电感梯度高于平面增强型电磁轨道发射器的电感梯度。 增加轨道高度，层叠增强型轨道发射器的电感梯度下降较快，平面增强型轨道发射器电感梯度下降较慢。 2.3多层增强型电磁轨道发射器分析图6为3层轨道的层叠增强型电磁轨道发射器和平面增强型电磁轨道发射器的电磁场分布图。 (a)层叠型(b)平面型图63层增强型轨道发射器图6中层叠增强型轨道发射器的3层轨道具有不同的磁场强度，场强沿y轴方向由上至下先增长，在中间轨道达到最高场强，然后不断减小并且与x轴对称。 3层层叠增强型轨道发射器的磁场强度和电感梯度分别为22.42T和1.532?H/m，相比2层层叠增强型轨道发射器分别提升了8.8%和63%，增加1层轨道对层叠型发射器磁场强度的提升较小，对电感梯度的提升较大。 3层平面增强型轨道发射器的平均磁场强度为38.64T，相比2层平面增强型轨道发射器磁场强度提升了31%。 3层平面增强型轨道发射器的电感梯度为0.881?H/m，比2层平面增强型轨道发射器提升了31%。 继续增加轨道层数对磁场强度的影响如图7。 82兵工自动化第37卷(a)平面增强型(b)层叠增强型图7轨道层数对磁场强度影响由图7可知平面增强型电磁轨道发射器的磁场强度随着轨道层数增加而增加，不同轨道高度下的增加趋势较为一致。 轨道高度h=5mm时，磁场强度曲线随着轨道层数增加趋近轨道高度h=10mm时的曲线，在轨道层数等于8时几乎重合。 当轨道高度h10mm时，降低轨道高度对磁场强度的影响有限。 层叠增强型电磁轨道发射器的轨道层数对磁场强度的影响受轨道高度的约束。 当轨道高度h=40mm时，磁场强度曲线平缓，轨道层数由2层增至9层时磁场强度仅增加了5T。 当轨道高度减小，磁场强度曲线的斜率增加，轨道层数对磁场强度的影响更加明显。 由图8可知平面增强型电磁轨道发射器电感梯度变化趋势与磁场强度一致，增加轨道层，电感梯度增大。 层叠增强型电磁轨道发射器的电感梯度曲线受轨道高度影响明显。 当轨道高度h=5mm时，电感梯度曲线斜率最大，增加轨道层数，电感梯度增加最快。 随着轨道高度的增加，电感梯度曲线的斜率逐渐减小，增加轨道高度，电感梯度的增长变慢。 (a)平面增强型(b)层叠增强型图8轨道层数对电感梯度影响3结论笔者对层叠增强型电磁轨道发射器和平面增强型电磁轨道发射器进行了2维数值仿真，得到电磁轨道发射器的电磁场分布和电感梯度。 通过对比分析得到以下结论1)增强型电磁轨道发射器优于普通轨道发射器。 采用平面增强的方法易于获得更大的磁场强度，采用层叠增强的方法易于获得更大的电感梯度。 2)在保证轨道的机械强度和通流能力的条件下，可以通过降低轨道高度的方式提升增强型电磁轨道发射器的磁场强度和电感梯度。 3)增加轨道层数可以提升电磁轨道发射器的磁场强度和电感梯度，提升效果会耦合轨道高度的影响。 为更好发挥辅助轨道性能，在轨道发射器设计时应合理选择轨道高度。 参考文献1刘贵民,杨忠须,闫涛,等.电磁轨道炮导轨失效研究现状及展望J.材料导报,xx,29 (7):63-70.2万敏,王志恒,李小将.串联增强型电磁轨道炮技术特点与发展现状J.火炮发射与控制学报,xx,36 (3):91-95.(下转第86页)86兵工自动化第37卷2)S系统中设备的仿真模型采用模块化设计，便于系统架构设计时，设备的复用和按需组合；3)采用标准化的开放式体系架构，设备选型符合相关工业标准，系统及设备易于实现功能扩展和模型维护；4)模型应保证严格的工作时序，同时具备高可靠性、稳定性；5)充分考虑未来功能扩展性，适应未来系统及设备的需求变化；6)该仿真模型基于相关机载设备ARINC标准、TSO标准和国内外适航产品进行建模，能够真实复现机载电子设备在飞机上的交联关系、功能、输入输出接口数据传输逻辑等；7)该仿真模型基于模块化建模，便于实现S系统的不同架构设计，并比较不同架构的性能差异，有利于架构的快速设计和定义；8)该仿真模型在机载设备建模的基础上，按照未来通信技术发展趋势扩展了AFDX数据接口和功能，能够通过该模型进一步扩展未来基于综合模块化航空电子(integrated modularavionics，IMA)的S系统架构设计14；9)该模型采用真实的航迹数据包进行激励，仿真模型的功能和性能得到了充分验证；10)采用该模型进行系统架构设计，能够大大提升系统开发的效率，同时降低研制成本。 2结束语笔者讨论了机载S系统数据建模技术，提供了一种用于飞机航电S系统快速建模、仿真和架构设计方法。 该方法便于现代飞机新航行系统的快速架构设计、接口定义、功能验证、总线数据优化、总线数据传输延迟分析、总线数据效率分析等，为以后各种飞机的航电S系统设计提供了一种思路，提升了系统的研制效率，也可以用于飞机其他系统的设计和开发。 参考文献1中国民用航空局.中国民用航空规章第25部运输类飞机适航标准S.xx.2ARP S.Guidelines andmethods forconducting thesafety assessmentprocess oncivil airbornesystems andequipmentZ.1996.3Inc AR.Digital InformationTransfer System(DITS)Part1Z.xx.4Inc AR.Airborne Hf/ssb SystemZ.1984.5Inc AR.Hf DataLink ProtocolsZ.xx.6Inc AR.Vhf DataRadioJ.xx.7Inc AR.Global NavigationSatellite System(gnss)Landing SystemSensor Unit(glssu)Z.xx.8Inc AR.Airborne IlsReceiverZ.1997.9Inc AR.Airborne VorReceiverZ.xx.10Inc AR.Airborne AdfSystemZ.1992.11RAMACHANDRAN B,LOKE A.Multi-mode receiver:US,US8149952P.xx.12SPRATT BJ,PRYOR DJ,JONES JB,et al.In airbornedistance measuringequipment:US,US4554547AP.1985.13Inc AR.Radio AltimeterZ.xx.14李欣.中国民航新航行系统发展概况J.中国民用航空,xx(B05):16-18.*(上接第82页)3ENGEL TG,VERACKA MJ,NERI JM,et al.Design ofLow-Current High-Efficiency AugmentedRailgunsJ.IEEE Transactions on PlasmaScience,xx,37 (12):2385-2389.4SHVETSOV GA,STANKEVICH SV.Ultimate KinematicCharacteristics ofRail ElectromagicLaunchers Withan ExternalMagic FieldJ.IEEE Transactionson PlasmaScience,xx